一種無線傳感器的能量收集的實(shí)現(xiàn)

　　熱電發(fā)生器(TEG)其實(shí)就是熱電模塊，它利用塞貝克(Seebeck)效應(yīng)將設(shè)備上的溫度差(以及由于溫度差所導(dǎo)致的流過設(shè)備的熱量)轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過程(被稱為帕爾帖[Peltier]效應(yīng))則是通過施加電壓而產(chǎn)生溫度差，并為熱電冷卻器(TEC)所慣用。輸出電壓的極性取決于TEG兩端溫度差的極性。如果TEG的熱端和冷端掉換過來，那么輸出電壓就將改變極性。

　　TEG由采用電串聯(lián)連接并夾在兩塊導(dǎo)熱陶瓷板之間的N型摻雜和P型摻雜半導(dǎo)體芯片對(duì)或偶所構(gòu)成。最常用的半導(dǎo)體材料是碲化鉍(Bi2Te3)。圖4示出了TEG的機(jī)械構(gòu)造。

　　圖4：TEG的構(gòu)造

　　有些制造商將TEG與TEC區(qū)分開來。當(dāng)作為TEG銷售時(shí)，通常意味著用于裝配模塊內(nèi)部電偶的焊料具有較高的熔點(diǎn)，故可在較高的溫度和溫差條件下工作，因而能夠提供高于標(biāo)準(zhǔn)TEC(其最大溫度通常限制在125°C)的輸出功率。大多數(shù)低功率能量收集應(yīng)用不會(huì)遇到高溫或高溫差的情況。

　　TEG的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)常見的模塊都是方形的，每邊的長度從10mm到50mm不等，厚度一般為2mm~5mm。

　　對(duì)于一個(gè)給定的ΔT(與塞貝克系數(shù)成比例)，TEG將產(chǎn)生多大的電壓受控于諸多的變量。其輸出電壓為10mV/K至50mV/K溫差(取決于電偶的數(shù)目)，并具有0.5Ω至5Ω的源電阻。一般而言，對(duì)于給定的ΔT，TEG所擁有的串聯(lián)電偶越多，其輸出電壓就越高。然而，增加電偶的數(shù)目也會(huì)增加TEG的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致在加載時(shí)產(chǎn)生較大的壓降。制造商可以通過調(diào)整個(gè)別半導(dǎo)體芯片的尺寸和設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，以在保持低電阻的同時(shí)仍然提供較高的輸出電壓。

　　5 負(fù)載匹配

　　為了從任意電壓電源吸取可獲得的最大功率，負(fù)載電阻必須與電源的內(nèi)阻相匹配。圖5中的實(shí)例說明了這一點(diǎn)，此處，一個(gè)具有100mV開路電壓和1Ω或3Ω源電阻的電壓電源用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載電阻器。圖6示出了輸送至負(fù)載的功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系。在每一根曲線中都可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻與源電阻匹配時(shí)，輸送至負(fù)載的功率達(dá)到最大。不過，當(dāng)源電阻低于負(fù)載電阻時(shí)，輸送的功率也許并非可能的最大值，而是比一個(gè)較高的源電阻驅(qū)動(dòng)一個(gè)匹配負(fù)載時(shí)(本例中為0.8mW)更高(本例中為1.9mW)，注意到這一點(diǎn)同樣很重要。選擇具有最低電阻的TEG可提供最大輸出功率的原因即在于此。

　　圖5：電壓電源驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載的簡化原理圖

　　圖6：電源的輸出功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系

　　LTC3108給輸入電源提供了一個(gè)約2.5Ω的最小輸入電阻。(請(qǐng)注意：這是轉(zhuǎn)換器而不是IC本身的輸入電阻。)這處于大多數(shù)TEG源電阻范圍的中間，從而為實(shí)現(xiàn)近乎最佳的功率傳輸提供了優(yōu)良的負(fù)載匹配。LTC3108的設(shè)計(jì)是：當(dāng)VIN下降時(shí)，輸入電阻增大(如圖7所示)。該特性令LTC3108能夠很好地適應(yīng)具有不同源電阻的TEG。

　　圖7：LTC3108的輸入電阻與VIN的關(guān)系曲線(采用1:100匝數(shù)比)

　　由于轉(zhuǎn)換器的輸入電阻相當(dāng)?shù)?，因此無論負(fù)載大小如何它都將從電源吸收電流。以圖8所示為例：當(dāng)采用一個(gè)100mV輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器從電源吸收約37mA的電流。不可把該輸入電流誤當(dāng)作IC本身所需的為其內(nèi)部電路供電的6μA靜態(tài)電流(取自VAUX)。當(dāng)在極低電壓條件下啟動(dòng)或依靠一個(gè)存儲(chǔ)電容器來工作時(shí)，低靜態(tài)電流的意義最為重大。

　　圖8：LTC3108的輸入電流與VIN的關(guān)系曲線(采用1:100匝數(shù)比)